KR101180773B1 - 고속 스캔 미러를 위한 용량성 빗살 피드백 - Google Patents

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Abstract

이미지 투영 시스템(100)이, 빔(103, 105, 107)을 두 개의 직교 방향(404, 406)으로 스캐닝하도록 스캔 미러 장치(130)에게 적어도 하나의 빔(103, 105, 107)을 제공하는 레이저(102, 104, 106)를 구비한다. 스캔 미러(130)는 프레임(202)에 연속하여 배치된 진동부(204)를 포함하고 또한 빔(103, 105, 107)을 반사시킬 수 있는 반사부(218)를 포함한다. 회로가 제공되어 프레임(202) 상의 인터디지테이트된 티스(212, 214)와 진동부(204) 간의 커패시턴스를 측정한다.

Description

고속 스캔 미러를 위한 용량성 빗살 피드백{CAPACITIVE COMB FEEDBACK FOR HIGH SPEED SCAN MIRROR}
본 발명은 레이저 빔 이미지 투영 디바이스(laser beam image projection device)들에 관한 것인데, 더 특정하게는 스캔 미러의 위치를 기술하는 피드백을 제공하는 장치에 관한 것이다.
진동 스캔 미러(oscillating scan mirror)로부터 레이저 빔 또는 레이저 빔들을 반사시켜서, 각각의 스캔 라인이 스크린상에서 수직 방향으로 점진적으로 옮겨가도록 하면서 예를 들어 스크린에 걸쳐서 수평 방향으로 교호(alternate)하는 스캔 라인들을 포함하는 래스터 패턴을 투영함으로써, 2차원 이미지들이 스크린상으로 투영될 수 있는 것이 알려져 있다. 레이저 빔 또는 레이저 빔들은 선택적으로 에너지를 공급받아 스크린상의 화소들을 조명하여 이미지를 제공하게 된다.
제1 스캔 미러는 전형적으로는 수평으로 전후로 고속으로 진동하고, 한편 제2 스캔 미러는 수직으로 저속으로 진동한다. 제1 스캔 미러는 중심에서 최고 속도를 가지고 그 진동의 양 극단 중 어느 하나에 가까워짐에 따라 영(zero)에 접근하면서 공진 주파수에서 진동한다. 제2 미러는 예를 들어 스크린의 상부로부터 하부까지 직교 방향으로 (수직으로) 일정 속력으로 움직이고 나서, 다음 이미지 생성을 위해 상부로 복귀한다.
미러들의 반복적 진동 또는 움직임은 각각의 미러용의 구동 장치에 의해 야기된다. 기존의 미러 시스템들은 각각의 미러상에 탑재된 압전 디바이스 또는 영구자석을 포함하며, 구동신호가 코일에 인가되거나 압전 디바이스에 직접 인가되므로써 미러를 움직이게 한다. 구동 신호를 제공하는 프로세서는, 적합한 화소를 조명하기 위해, 미러들이 동기 방식으로 구동되는 속력과 매칭되도록 레이저들이 펄스화되어야만 하는 타이밍을 결정한다.
프로세서가 미러 또는 미러들 위치를 정확히 결정함으로써 레이저 빔 펄스들을 조정하여 교호하는 스캔들 간의 이미지 수렴(image convergence)을 개선하기 위해서, 미러 위치의 피드백이 프로세서에게 제공되어 레이저 펄스가 적합하게 타이밍될 것이다. 이런 피드백을 제공하는 한 공지된 방법은 미러상에 자석을 탑재하는 것인데, 이는 미러가 스캐닝함에 따라 변화하는 자계를 생성한다. 외부 코일에서 생성된 변화하는 전류는 스캔 미러의 속도를 나타내는 피드백을 제공한다. 다음으로 그 위치가 이 신호로부터 추론될 수 있다. 그러나, 미러상에 자석을 탑재하는 것은 관성을 증가시키고, 결과적으로 전체 미러 구조의 크기를 증가시킨다.
따라서, 미러의 질량을 증가시키지 않고서 이미지 수렴을 개선하도록 미러들 위치의 피드백을 제공하는 장치를 도출하는 것이 바람직하다. 더욱이, 본 발명의 다른 바람직한 특성들 및 특징들은 첨부 도면들과 배경 설명 부분과 연계하여 취해지는 후속의 상세한 설명과 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 실시예들은 유사 부호들이 유사 요소들을 표시하는 이하의 도면들과 연계하여 이후 설명될 것이다.
도 1은 공지된 이미지 투영 시스템의 평면도.
도 2는 제1 예시적 실시예에 따른 미러의 측면도.
도 3은 제1 예시적 실시예에서 사용하기 위한 관성 드라이브의 투시 정면도.
도 4는 도 1의 시스템으로부터 제공된 스캔 라인들을 보여주는 이미지 투영도.
도 5는 예시적 실시예들의 스캔 미러의 시간 경과에 따른 각 위치를 보여주는 그래프.
도 6은 예시적 실시예에서 측정된 커패시턴스를 보여주는 그래프.
도 7은 제2 예시적 실시예에 따른 미러의 측면도.
도 8은 제3 예시적 실시예에 따른 미러의 측면도.
이하의 상세한 설명은 본래 예시적 성격을 가질 뿐이고, 또한 본 발명을 제한하거나 또는 본 발명의 응용 및 사용을 제한하도록 의도한 것이 아니다. 더욱이, 앞서 제시된 발명의 배경 및 이후의 상세한 설명에서 제시되는 어떠한 이론에 의해서도 본 발명을 제한하도록 의도한 것도 아니다.
이미지 투영 시스템은 예를 들어 적색, 녹색, 및 청색 레이저들인 펄스 광원(pulsed light source), 및 스캐닝된 라인들로 구성된 이미지를 생성하기 위해 진동 반사 표면을 포함하는 미러 시스템을 포함한다. 펄스 광과 미러의 위치 잡기(positioning)를 동기화하기 위해서, 미러의 위치를 나타내는 용량성 피드백(capacitive feedback)이 획득된다. 미러는 (수 마이크론 크기의) 이동가능 프레임(movable frame) 및 이것에 연속하여 배치된 진동 반사 표면(oscillating reflective surface)을 포함한다. 이동가능 프레임 및 진동 반사 표면은, 각각, 인터디지타이즈(interdigitize)되고 공간 이격된 복수의 제1 및 제2 티스(teeth)를 가진다. 회로는 반사 표면이 진동할 때의 제1 및 제2 티스 간의 커패시턴스를 결정하는데, 이 커패시턴스는 반사 표면의 위치에 상관된다. 이런 커패시턴스 또는 위치는 이후 프로세서에 의해 펄스 광원과 동기되어 이미지의 스캐닝된 라인들의 수렴을 개선한다.
도 1을 참조하면, 투영 시스템(100)이 서로 다른 주파수의 빔을 방사하기 위한 세 개의 레이저(102, 104, 106)를 포함한다. 레이저(102)는 양호하게는 약 635-655 나노미터에서 적색 빔(103)을 방사하는 반도체 레이저이다. 렌즈(110)는 포지티브 초점 거리를 갖는 양 비구면 볼록 렌즈(biaspheric convex lens)이고, 또한 적색 빔(103) 내의 모든 에너지를 실질적으로 모으고 또한 렌즈로부터의 특정된 거리에 초점을 갖는 회절 한계 빔(diffraction-limited beam)을 생성하도록 동작한다.
레이저(104)는 양호하게는 약 475-505 나노미터에서 청색 빔(105)을 방사하는 반도체 레이저이다. 또 다른 양 비구면 볼록 렌즈(112)는 적색 빔(103)의 형태를 만드는 렌즈(110)에 유사한 방식으로 청색 빔(105)의 형태를 만든다.
레이저(106)는 양호하게는 1060 나노미터의 출력 빔을 갖는 적외선 반도체 레이저 빔, 및 비선형 주파수 더블링 수정(non-linear frequency doubling crystal)을 포함하는 레이저 시스템이다. 레이저(106)의 (도시되지 않은) 출력 미러는 1060 나노미터의 적외선 방사선에 반사성을 띠고, 더블링된 530 나노미터 녹색 레이저 빔(107)에 투과성을 띤다. 하나 이상의 렌즈들이 예를 들어 양 비구면 볼록 렌즈(114)가 바라는 빔(107) 형태를 생성하는 데에 사용될 수 있다. 레이저들(102, 104)이 반도체 레이저들로서 기술되고 또한 레이저(106)가 레이저 시스템으로서 기술되었지만, 임의 유형의 레이저가 세 개의 빔(103, 105, 107)을 위해 사용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
레이저 빔들(103, 105, 107)은 100 ㎒ 정도의 주파수로 펄스 동작을 한다. 녹색 빔(107)은, 만일 비변조 고상(non-modulated solid-state) 레이저 시스템이 사용된다면, 그 주파수를 획득하는 데에 레이저 시스템(106) 내의 음향 광학적 변조기(도시 안 됨)를 필요로 할 수 있다. 녹색 빔(107)은 미러(122)에 의해 그로부터 멀어지며 스캐닝 어셈블리(130) 쪽으로 반사된다. 다이크로익 필터들(dichroic filters; 124, 126)이 녹색, 청색, 및 청색 빔들(103, 105, 107)이 스캐닝 어셈블리(130)에 도달하기 전에 이 빔들을 가능한 대로 직선상에(co-linear) 있게 하기 위해 (실질적으로 직선으로 하기 위해) 배치된다. 더 중요한 것은, 다이크로익 미러들이 모든 세 개의 빔을 소형 고속 스캔 미러 쪽으로 인도한다는 것이다. 필터(124)는 녹색 빔(107)이 자신을 통해 패스하도록 허용하면서, 다른 한편으로 청색 빔(105)을 반사시킨다. 필터(126)는 녹색 빔(107) 및 청색 빔(105)이 자신을 통해 패스하도록 하면서, 다른 한편으로 적색 빔(103)을 반사시킨다. 이상 설명한 시스템 동작은 참조에 의해 여기 통합되는 미국 특허 번호 제7,059,523호에 자세히 설명되었다.
거의 직선상의 빔들(103, 105, 107)은 제1 스캔 미러(132) 및 제2 스캔 미러(134)에 의해 그로부터 반사된다. 하나 이상의 추가 미러들(도시 안 됨)은 정적일 수 있는데, 빔들(103, 105, 107)을 바라는 방향으로 및/또는 이미지 배향을 위해 인도하기 위해 이들이 활용될 수 있다.
도 2을 참조하고 또한 제1 예시적 실시예에 따르면, 스캔 미러(132, 134)가 이동가능 프레임(202) 및 진동부(204)를 포함한다. 이동가능 프레임(202) 및 진동부(204)는 일체이며, 거의 평탄하고, 대략 150 마이크론의 두께를 갖는 실리콘 기판으로 제조된다. 프레임(202)은 힌지 축(210)을 따라 연장하고 또한 진동부(204)의 대향 영역들과 프레임(202)의 대향 영역들 간에 연결하는 한 쌍의 직선상 힌지 부(206, 208)를 포함하는 힌지 수단에 의해 진동부(204)를 지지한다. 프레임(202)은 도시된 대로 진동부(204)를 둘러쌀 필요는 없다. 실리콘은 에칭되어 프레임(202) 내의 슬롯들(213)을 규정하는 복수의 티스(212)와, 진동부(204)의 슬롯들(215)을 규정하는 복수의 티스(214)를 형성한다. 티스 (212) 및 (214)는 진동부(204)의 마주보는 측들 상에 보여지고 있지만, 한 측 상에만 배치될 수도 있고 또는 인접 측들 상에 마찬가지로 배치될 수 있다. 티스(214)는 도전성을 가지나, 프레임(202) 상의 티스(212)로부터 전기적 절연되고, 또한 인터디지에이트(interdigiate)되어 대향하는 빗살 구조들을 형성한다. 티스 (212) 및 (214)에 대한 각각의 전기적 컨덕터들(222, 224), 및 그 사이의 절연은 예를 들어 반도체 산업계에 잘 알려진 대로 부분(203)을 제외하고 실리콘 프레임이 전기적으로 도전성을 갖도록 하기 위해서 프레임(202)을 도핑함으로써 성취될 수 있다. 실리콘을 도핑하는 것에 대한 대안으로, 예를 들어 은 또는 금과 같은 얇은 도전성 재료가 프레임(202) 및 진동부(204) 상에 형성될 수 있다. 도전 재료가 프레임(202) 상에서 형성되는 경우, 부분(203)은 프레임으로부터 스캐닝 미러부를 전기적 절연시키기 위해서 코팅되지 않을 것이다. 진동부(204)가 빔들(103, 105, 107)을 반사시키기 위한 반사부(218)를 포함한다.
도 3에 도시된 관성 드라이브(302)는 전형적으로는 인쇄 회로 기판(304) 상에 탑재되는 고속의 저 전력 소비 장치이다. 예를 들어 스캔 미러 (132) 또는 (134)와 같은 스캔 미러가, 프레임(202) 및 관성 드라이브(302) 간에서 수직으로 연장하고 축(210)의 대향측들 상에 있는 압전 트랜스듀서들(306, 308)에 의해 관성 드라이브(302) 상에 탑재된다. 두 개의 압전 트랜스듀서(306, 308)만이 도시되었지만, 네 개와 같은 추가의 압전 트랜스듀서가 사용될 수 있다. 접착제가 사용되어 각각의 트랜스듀서(306, 308)의 한쪽 단부와 프레임(202) 간의 영구 접촉을 보장할 수 있다. 각각의 트랜스듀서(306, 308)는 커넥터들(도시 안 됨)에 의해 인쇄 회로 기판(304)에 결합되어 주기적 교류 전압을 수신하게 된다. 압전 트랜스듀서들(306, 308)은 전기적 접속들이 이것들에 대해 이뤄질 수 있는 한, 인쇄 회로 기판들, 세라믹 기판들, 또는 임의의 단단한 기판상에 탑재될 수 있다.
스캔 미러들 중의 하나, 예를 들어 스캔 미러(132)가 도 4의 디스플레이(402)상에 도해된 대로 수평 스캔(방향 404)을 제공하도록 진동한다. 스캔 미러들 중의 다른 것, 예를 들어 스캔 미러(134)가 수직 스캔(방향 406)을 제공하도록 진동한다.
동작시에, 주기적 교류 전압은 각각의 트랜스듀서(306, 308)가 교호적으로(alternatively) 그 길이가 연장 및 수축하도록 야기한다. 트랜스듀서(306)가 연장하고 트랜스듀서(308)가 수축하는 경우, 및 그 역으로 되는 경우, 프레임(202)을 동시에 밀고(push) 잡아당겨서(pull) 축(210) 주위로 트위스트하거나 움직이도록 한다. 프레임이 움직임에 따라, 진동부(204)가 축(210) 주위에서 공진 진동에 도달한다. 진동부(204)가 진동함에 따라, 티스(214)가 프레임(202)의 티스(212)에 대하여 전후로 움직여서 커패시턴스 변화를 생성한다.
커패시턴스는 발진 회로(도시 안 됨)를 컨덕터들(222, 224)에게 결합함으로써 당업자에게 알려진 방식으로 측정될 수 있다. 발진기의 커패시턴스를 측정함으로써, 티스 (212) 및 (214) 간의 커패시턴스가 결정될 수 있다. 콜핏츠 발진기(Colpitts oscillator)가 발진 회로의 하나의 양호한 예인데, 많은 다른 유형의 발진기가 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6은 각각 시간에 걸쳐서 측정된 진동부(204)의 각 위치(angular position)(502)와, 프레임(202)의 티스(212)와 진동부(204)의 티스(214) 간에서 시간에 걸쳐 측정되어 검출된 커패시턴스(602)의 그래프들이다.
티스 (212) 및 (214) 간의 커패시턴스는 반사 표면(218)이 진동함에 따라 검지되는데, 이는 반사 표면(218)의 위치와 상관된다. 이러한 커패시턴스 또는 위치는 프로세서에 의해 펄스 광원(102, 104, 106)과 동기되어 이미지들의 스캐닝된 라인들의 수렴을 개선한다.
도 7을 참조하고 또한 제2 예시적 실시예에 따르면, 단일 스캔 미러(700)가 스캔 미러들(132, 134) 대신에 사용될 수 있다. 스캔 미러(700)의 외곽부는 도 2에 도해된 스캔 미러를 포함하고, 또한 유사한 번호 매기기 방식을 갖는다.
그러나, 스캔 미러(700)는 진동부(704)가 진동부(204) 내부에 배치된다는 점이 도 2의 것과 다르다. 진동부(704)는 빔들(103, 105, 107)을 반사시키기 위한 반사부(718)를 포함한다. 진동부들(204, 704)의 각각이 서로로부터 전기적 절연되고 또한 프레임(202)로부터 절연된다.
진동부(704)는 일체의, 거의 평탄하며, 대략 150 마이크론 두께의 실리콘 기판으로 제조된다. 진동부(204)가 힌지 축(710)을 따라 연장하고 또한 진동부(704)의 대향 영역들과 진동부(204)의 대향 영역들 간에 연결하는 한 쌍의 직선상 힌지 부(706, 708)를 포함하는 힌지 수단에 의해 진동부(704)를 지지한다. 진동부(204)는 도시된 대로 진동부(704)를 둘러쌀 필요가 없다. 실리콘은 에칭되어 진동부(704)에서 슬롯들(713)을 규정하는 복수의 티스(712)와, 진동부(704)에서 슬롯들(715)를 규정하는 복수의 티스(714)를 형성하게 된다. 티스 (712) 및 (714)는 진동부(704)의 대향측들 상에 보여지고 있지만, 한 측 상에만 배치될 수도 있고 또는 인접 측들 상에도 마찬가지로 배치될 수 있다. 티스 (712) 및 (714)는 도전성을 가지나, 전기적 절연된다. 이 절연은 예를 들어 반도체 산업계에 잘 알려진 대로 부분들(203 및 703)을 제외하고, 프레임(202) 및 진동부(704)가 전기적 도전성을 갖게 하기 위해서 프레임(202)을 도핑함으로써 성취될 수 있다. 실리콘을 도핑하는 것에 대한 대안으로, 예를 들어 은 또는 금과 같은 얇은 도전성 재료가 프레임(202) 및 진동부(704) 상에 형성될 수 있다. 진동부(704)가 빔들(103, 105, 107)을 반사시키기 위한 반사부(718)를 포함한다. 진동부(704)의 움직임은 공진 주파수에서 프레임(202)을 움직임으로써 성취된다.
이상 설명한 대로, 발진 회로(도시 안 됨)는 컨덕터들 (222) 및 (224)에게 결합되어 티스 (212) 및 (214) 간의 커패시턴스를 측정하게 된다. 비슷하게, 또 다른 발진 회로(도시 안 됨)는 컨덕터들 (222) 및 (724)에 결합되어 티스(214) 및 (914) 간의 커패시턴스를 측정한다. 발진 회로는 반사 표면(718)이 진동함에 따라 티스 (712) 및 (714) 간의 커패시턴스를 결정하는데, 이 커패시턴스는 반사 표면(718)의 위치에 상관된다. 이러한 커패시턴스 또는 위치는 이후 프로세서에 의해 펄스 광원(102, 104, 106)과 동기되어 이미지의 스캐닝된 라인들의 수렴을 개선한다.
이상 설명한 예시적 실시예들이 티스(212, 214, 712, 714)를 포함하는 것으로 하였지만, 또 다른 예시적 실시예는 티스를 제외할 수 있다. 도 8은 이런 디바이스를 보여주는데, 여기서 프레임(202) 및 진동부(204)는 티스 없이 서로 인접해 있다. 도 2의 예시적 실시예에서 측정 가능한 커패시턴스 변화들이 더 뚜렷하게 나타나기는 하겠지만, 디바이스에 대해서도 용량성 변화들이 측정 가능할 것이다. 티스 없는 예시적 실시예가 도 7의 디바이스에 대해서도 상정된다.
다른 예시적 실시예들에서, 티스(212, 214, 및/또는 712, 714)는, 앞서 언급한 것과는 다르게, 프레임(202) 및 진동부(204, 704) 상에 위치될 수 있다. 예를 들어, 반사부(218)가 티스(214) 위를 덮을(overlie) 수 있다.
적어도 하나의 예시적 실시예가 이상의 상세한 설명에서 제시되었지만, 광대한 수의 변형들이 존재한다는 것을 인식해야 한다. 또한, 예시적 실시예 또는 실시예들은 단지 예들에 불과하고, 본 발명의 범위, 응용성 또는 구성을 어떤 식으로든 제한하기 위한 것이 아님을 인식해야 한다. 그보다는, 이상의 상세한 설명은 당업자에게 본 발명의 예시적 실시예를 구현하기 위한 편리한 로드 맵을 제공하는 것이고, 청구범위에서 제시된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 예시적 실시예에서 기술된 요소들의 기능 및 배치에 대해 여러 변경들이 이뤄질 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (9)

  1. 이미지 투영 시스템으로서,
    빔을 제공하는 레이저와;
    프레임, 및
    상기 프레임에 연속하여 배치되고 또한 상기 빔을 반사시킬 수 있는 반사부를 포함하는 제1 진동부
    를 포함하는 스캔 미러와;
    상기 프레임과 상기 제1 진동부 간의 커패시턴스를 측정하는 회로; 및
    상기 레이저 및 상기 회로에 결합되고, 상기 빔의 펄싱(pulsing)을 상기 커패시턴스로부터 결정되는 상기 제1 진동부의 위치와 동기화하는 콘트롤러;
    를 포함하는 이미지 투영 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임은 제1 복수의 티스(teeth)를 포함하고,
    상기 제1 진동부는 상기 제1 복수의 티스와 인터디지테이트(interdigitate)된 제2 복수의 티스를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 복수의 티스들 간의 상대적 움직임이 커패시턴스 변화를 야기하는 이미지 투영 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프레임에 부착되어 이 프레임에 움직임을 부여하는 드라이브 장치를 더 포함하는 이미지 투영 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔은 복수의 동일선상으로 인도되는 빔들을 포함하는 이미지 투영 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 회로는 발진 회로를 포함하는 이미지 투영 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 진동부는 상기 프레임과 상기 제1 진동부 간에 배치된 제2 진동부를 포함하는 이미지 투영 시스템.
  8. 이미지 투영 시스템으로서,
    펄스 레이저 빔을 제공하는 광원과;
    드라이브 장치,
    상기 드라이브 장치에 응답하여 이동가능한 프레임, 및
    상기 프레임에 연속하여 배치되어 상기 펄스 레이저 빔을 수신하고, 또한 이미지를 제공하도록 상기 프레임의 움직임에 응답하여 진동하는 제1 진동부
    를 포함하는 미러와;
    상기 프레임과 상기 제1 진동부 간의 커패시턴스를 결정하는 측정 회로; 및
    상기 측정된 커패시턴스에 기초하여 상기 펄스 레이저 빔을 상기 미러의 위치와 동기화하는 제어 회로;
    를 포함하는 이미지 투영 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 프레임은 제1 복수의 티스를 포함하고,
    상기 제1 진동부는 상기 제1 복수의 티스와 인터디지테이트된 제2 복수의 티스를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 복수의 티스들 간의 상대적 움직임이 커패시턴스 변화를 야기하는 이미지 투영 시스템.
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